小麦气孔“更小更密”趋势：基于高通量表型与全基因组关联分析解析其生长与抗逆策略

《Plant Phenomics》：Smaller and denser stomatal trend: a strategy for growth and abiotic stress resistance in wheat

　　

：气孔是植物适应陆地环境的关键器官，也是二氧化碳（CO2）吸收与水分蒸腾调节的重要通道。面包小麦（Triticum aestivum L.）作为全球主要粮食作物之一，其气孔性状变异与产量及抗逆性密切相关。本研究利用210份小麦品种，在不同环境条件下系统解析了叶片上表皮（adaxial）与下表皮（abaxial）气孔性状的遗传变异。研究人员采用高通量气孔表型分析技术，研究了不同氮肥处理、生育时期及品种育成年代下叶片两侧气孔性状的可塑性。结果表明，小麦气孔性状在品种间表现出丰富的遗传变异和较高的广义遗传力（H2 = 79.59%–90.78%）；上表皮气孔密度高于下表皮，而气孔面积则小于下表皮。在氮素缺乏（N0）条件下，叶片两侧气孔均呈现“更小更密”的趋势；从分蘖期至开花期，气孔密度逐渐增加而气孔尺寸逐渐减小。动态气孔表型分析显示，在相同叶行内，较小的气孔在黑暗诱导下关闭更快，关闭时间与气孔大小的决定系数（R2）达0.85–0.91。随着育种年代的推进（1980年前至2000年后），小麦叶片两侧气孔均趋于更小更密，且这一趋势与正常施氮（N240）条件下的籽粒产量提升相伴随。全基因组关联分析（GWAS）共鉴定出与上表皮气孔性状相关的53个候选位点和与下表皮气孔性状相关的12个候选位点，候选基因涉及膜转运、转录调控及代谢等过程。综上，小麦气孔“更小更密”的趋势反映了其丰富的遗传变异与表型可塑性，可能与其水分与氮素利用效率、光合性能、逆境响应及产量形成相关，为小麦气孔性状的遗传改良提供了表型与遗传基础。

论文解读

一、研究背景与科学问题

气孔是植物叶片表皮上由一对保卫细胞围合而成的微小孔隙，是植物与外界环境进行气体交换的主要通道，直接调控二氧化碳（CO₂）的摄取与水分的蒸腾散失。气孔形态性状，尤其是气孔大小与密度，在植物水分利用效率（WUE）与光合能力之间发挥着关键的权衡调节作用。已有研究表明，较小的气孔对环境刺激如光照和CO₂浓度变化响应更为迅速，有助于减少无效蒸腾、增强干旱适应能力；但较小的气孔也可能在某些条件下限制光合能力。同时，较小的气孔往往伴随较高的气孔密度，这种“更小更密”的组合可能补偿单个气孔孔径减小导致的CO₂摄取不足。

面包小麦（Triticum aestivum L.）作为全球重要的粮食作物，其气孔性状变异与产量和抗逆性密切相关。然而，目前关于小麦气孔性状在田间条件下的适应性变化规律及其遗传基础的研究仍相对有限。传统气孔表型鉴定方法繁琐且通量低，严重制约了气孔性状遗传解析的进展。此外，小麦作为典型的单子叶作物，其上表皮（adaxial）气孔占优势，但氮素缺乏条件下叶片两侧是否均呈现“更小更密”的趋势尚不清楚。因此，亟需发展高通量气孔表型分析技术，并结合全基因组关联分析（GWAS）系统解析小麦气孔性状的遗传变异规律及其与产量和抗逆性的关系。

二、研究内容与主要结论

本研究以中国黄淮麦区和长江中下游麦区1960–2020年间推广的210份小麦品种为材料，设置缺氮（N0，0 kg N ha^-1）和正常施氮（N240，240 kg N ha^-1）两种氮肥处理，在分蘖期、拔节期、抽穗期和开花期四个生育时期对叶片上表皮和下表皮（abaxial）的气孔性状进行了系统测定。研究采用基于深度学习的高通量气孔表型分析技术，结合动态气孔监测系统和GWAS，全面解析了小麦气孔性状的遗传变异、环境响应机制及其与产量的关联。主要结论包括：小麦气孔性状在品种间表现出丰富的遗传变异和较高的广义遗传力；上表皮气孔密度高于下表皮而气孔面积小于下表皮；氮素缺乏条件下叶片两侧气孔均呈现“更小更密”的趋势；从分蘖期至开花期，气孔密度逐渐增加而气孔尺寸逐渐减小；较小的气孔在黑暗诱导下关闭更快；随着育种年代推进，小麦气孔趋于更小更密，且这一趋势与正常施氮条件下的产量提升相伴随；GWAS鉴定出多个与气孔性状相关的候选基因位点。

三、关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：其一，利用Anyty便携式显微镜在550倍放大倍数下直接采集小麦叶片气孔图像，共获取10080张气孔显微图像；其二，采用基于深度学习的StomataTracker算法对气孔图像进行自动检测与分割，提取气孔密度（SD）、气孔面积（SA）、气孔长度（SL）和气孔宽度（SW）等性状；其三，利用原位气孔观测系统对黑暗条件下气孔关闭过程进行实时视频监测，分析不同大小气孔的关闭动力学特征；其四，采用660K小麦高密度基因分型芯片（AxiomWheat660 Genotyping Arrays）对210份品种进行基因分型，经质量控制后获得409,976个高质量SNP位点；其五，采用FarmCPU模型进行全基因组关联分析，并结合WheatOmics多组学网站和BGI Dr.Tom数据库进行候选基因筛选与功能注释。

四、研究结果

（一）小麦品种间叶片气孔表型的变异性

在正常施氮条件下分蘖期，210份小麦品种的气孔性状表现出显著变异。气孔密度（SD）在上表皮的变异范围为18.31–40.85 mm^-2，下表皮为16.90–30.99 mm^-2；气孔面积（SA）在上表皮为2145–3144 μm²，下表皮为2225–3046 μm²。各性状的变异系数（CV）为4.31%–13.47%，广义遗传力（H²）为79.59%–90.78%。这些结果表明遗传因素对气孔性状的表型变异具有重要贡献。

（二）小麦叶片上表皮与下表皮气孔性状的差异

小麦叶片上表皮气孔密度显著高于下表皮，而气孔面积、长度和宽度均小于下表皮。上表皮气孔密度平均比下表皮高17.91%–29.02%，上表皮气孔面积平均比下表皮小1.00%–7.90%。方差分析确认叶片两侧气孔性状存在显著差异。

（三）氮肥对气孔性状的影响

与正常施氮（N240）处理相比，缺氮（N0）处理导致叶片上表皮和下表皮的气孔密度均显著增加，而气孔面积、长度和宽度均显著减小。方差分析显示氮肥处理对气孔性状差异的影响在P < 0.001水平显著。相对N240处理，N0处理下平均气孔密度高出7.88%–25.26%，平均气孔面积低6.82%–15.68%。

（四）不同生育时期气孔性状的变化

从分蘖期至开花期，气孔密度总体呈增加趋势，而气孔面积、长度和宽度总体呈减小趋势，表明小麦生长发育过程中气孔整体向“更小更密”方向转变。该模式在两种氮肥处理和叶片两侧均广泛存在，但不同氮处理、叶片表面和品种间的变化幅度与具体轨迹存在差异。

（五）不同育种年代气孔性状的变化及其与籽粒产量的关联

随着育种年代从1980年前推进至2000年后，小麦叶片两侧气孔均呈现更小更密的趋势：气孔密度随育种年代推进而增加，气孔面积显著减小。在产量表现方面，缺氮（N0）处理下不同育种年代品种间产量无显著差异；而在正常施氮（N240）处理下，育种年代越晚的品种产量越高，2000年后育成品种的产量显著高于早期品种。品种水平的相关与多元回归分析显示，拔节期N240数据中气孔性状与籽粒产量无显著相关，而连续育种年份与产量在所有模型中均呈显著正相关；开花期N240数据的补充分析显示下表皮气孔密度与产量呈弱正相关。这些结果表明气孔性状与产量的关系可能随生育时期而变化。

（六）基于动态表型的不同大小气孔关闭动力学特征

原位动态表型分析显示，在120秒黑暗处理期间，所有标记气孔的开度均逐渐减小，但关闭速率存在明显个体差异。同一叶行内，气孔大小与完全关闭所需时间呈极强正相关，R²达0.85–0.91；而将三行数据合并后R²仅为0.2268。较小气孔所在行集中分布于较小尺寸和较短关闭时间区域，较大气孔所在行则分布于较大尺寸和较长关闭时间区域。这表明同一叶行内较大的气孔在完全黑暗条件下需要更长时间才能完全关闭，揭示了单子叶作物气孔条带状分布对大小-关闭时间关系的影响。

（七）基于全基因组关联分析的小麦气孔性状候选基因鉴定

在开花期N240处理下，GWAS共鉴定出上表皮气孔性状相关候选位点53个，分布于3A、4A、5B、5D等染色体；下表皮气孔性状相关候选位点12个，分布于1A、1B、2A、6B等染色体。对峰值位点最显著SNP进行候选基因筛选与功能注释，共获得15个显著位点相关的候选基因，其中上表皮8个、下表皮7个。上表皮气孔性状相关基因主要涉及硫酸盐跨膜转运蛋白活性、膜组分、跨膜转运蛋白活性、DNA结合转录因子活性等过程；下表皮气孔性状相关基因主要涉及同源重组、减数分裂细胞周期、氨基酸生物合成、赖氨酸生物合成、核糖体及rRNA结合等过程。其中，与气孔宽度相关的TraesCS2A02G572100被注释为NRT1/PTR（NPF）家族成员，可能通过转运脱落酸（ABA）等信号分子调控气孔发育。

五、讨论与结论总结

讨论部分指出，高通量气孔表型分析技术有效克服了传统表型鉴定方法的瓶颈，StomataTracker管道的气孔性状测量精度已在此前研究中得到验证，气孔密度和面积与人工ImageJ测量的R²均大于0.90。小麦气孔性状的高遗传力表明其表型变异主要由遗传因素决定，为气孔性状的遗传改良提供了基础。小麦上表皮气孔更小更密的分布模式与玉米、水稻等下表皮气孔占优势的典型模式不同，可能与其上表皮更强的光合能力和蒸腾降温作用有关。氮素缺乏和生育时期推进均诱导“更小更密”的气孔趋势，结合动态表型分析中较小气孔关闭更快的特征，提示该趋势可能通过减少无效蒸腾而有助于提高水分利用效率。育种年代分析显示“更小更密”趋势与正常施氮条件下产量提升相伴随，但品种水平分析表明二者并非直接因果关系，其稳健性和生物学意义有待进一步验证。GWAS鉴定的候选基因中，上表皮相关基因主要涉及膜转运和转录调控，下表皮相关基因主要涉及减数分裂和氨基酸合成，提示叶片两侧气孔发育可能受独立遗传网络调控。研究结论指出，小麦“更小更密”的气孔趋势反映了丰富的遗传变异与表型可塑性，这些变化可能与水分和氮素利用、光合性能、逆境响应及产量形成相关，但具体作用需进一步验证。该研究为小麦气孔性状的深入解析及其在遗传改良中的潜在应用提供了表型与遗传基础。